[发明专利]用于具有同时感测和致动的触觉显示器的材料和结构

说明书

一种触觉接口设备，所述设备包括：基板；沉积在基板上的第一导电层，所述第一导电层被构图以提供可单独寻址的导电电极的第一轴；沉积在第一导电层上的第一绝缘层，所述绝缘层具有均匀的厚度；沉积在第一绝缘层上的第二导电层，所述第二导电层被构图以提供可单独寻址的导电电极的第二轴；以及沉积在第二导电层上的介电层，所述介电层具有均匀的厚度和硬度并且耐刮擦。

相关申请的交叉引用

本申请是非临时专利申请，要求于2014年11月3日提交的标题为“”的美国临时专利申请No.62/074362的权益和优先权。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明是在由国家科学基金会授予的授权号IIP-1330966的政府支持下进行的。政府对发明有一定的权利。

技术领域

本公开内容一般而言涉及触摸接口设备，更具体而言涉及用于提供触摸感测输入和触觉输出的此类设备的触摸表面的构造和构造方法。

背景技术

触摸接口可以在膝上型计算机、游戏设备、汽车仪表板、信息亭、手术室、工厂、自动柜员机以及便携式设备(诸如相机、平板电脑和电话)的主机中找到。触摸接口提供了分立机械控件无法做到的灵活交互可能性。但是今天的触摸接口牺牲了人类体验的重要部分：触觉。“触觉”是指与触摸相关联的感知系统。触觉让我们触摸铅字、在黑暗中找到灯的开关、使用刀叉、享受抚摸狗或者握着我们配偶的手。触觉不仅仅关于移动我们的手，而是关于感觉事物、识别物体(即使没有看到它们)、并控制我们与世界交互的方式。

近来，已经开发了静电致动，作为用于产生局限于指尖的触觉效果的手段。例如，在先前的专利申请(美国专利申请序列No.13/468,818，标题为“Electrostatic Multi-touch Haptic Display”)中，描述了实现多点静电触觉的多种方式。在另一个最近的专利申请(美国专利申请序列No.14/306,842，标题为“Haptic Display with SimultaneousSensing and Actuation”)中，描述了布置电极以启用多重触摸感测和多点静电触觉的多种方式。静电触觉的基础是经由电场调制摩擦力。在指尖和触摸表面之间的接触点建立电场。这是通过将一个或多个电极放在基板的触摸表面上并用介电层将那些电极与指尖绝缘来实现的。

为了建立这种电场，必须通过手指闭合电路。这有两个主要的途径。其他人已经教导了图1A中所示的方法，其中手指-电介质-电极系统的电容是通过身体的某个其它部分处的第二接触闭合的电路的一部分。在这种现有技术中，电路在两个单独的接触位置之间闭合。例如，在来自Senseg专利的图1A中，两个位置都被示为指尖。我们已经在先前的专利申请中教导了图1B中所示的方法，其中两个单独的电极放在单个接触位置下方，并且因此电路通过单个指尖自身闭合，而不涉及身体的其余部分。应当指出的是(并且这对于本发明将是重要的)，介电层优选地相当薄，诸如0.1-50微米。薄的介电层允许在没有极高电压的情况下产生大的电场。

为了应用双电极和单指尖技术，需要在触摸表面上创建合适的电极对阵列。一种做法是使用电极的晶格。图2中示出了说明性的实施例，但是许多其它晶格和非晶格结构是可能的。图2示出了可以用来在触摸表面上提供感测和触觉的“菱形”电极的晶格的图。所显示的是x轴(水平电极)和y轴(垂直电极)二者。电极通常将被绝缘层覆盖，如图1B中绝缘层被示出为在两个电极之上。这种布置还允许触觉效果被局部化。在图2中所示的情况下，将标记为“+”的y电极变为正电压，同时将标记为“-”的x电极变为负电压(相对于设备或地)。触觉效果集中在两个电极的交点处。每个电极可以通过长度、宽度和形状(在这种情况下是重复的菱形)来表征。同样重要的是电极重复的长度尺度，称为节距。晶格结构对于本领域已知的感测具有许多优点，并且我们之前已经示出它们对于触觉也具有优点。例如，它们通过允许效果被定位在电极交点附近来支持多点触觉。